【摘 要】隨著人工智能時(shí)代的到來(lái)，教育無(wú)人機(jī)走進(jìn)了校園，給教學(xué)帶來(lái)了機(jī)遇與挑戰(zhàn)?；谛W(xué)生思維發(fā)展的特點(diǎn)，本文分析了教育無(wú)人機(jī)社團(tuán)的教學(xué)現(xiàn)狀，結(jié)合筆者的實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，闡述采用項(xiàng)目化教學(xué)法，以項(xiàng)目進(jìn)展的時(shí)間創(chuàng)設(shè)新的教學(xué)模式，從項(xiàng)目引入、問(wèn)題定向，項(xiàng)目分析、問(wèn)題分解，項(xiàng)目實(shí)施、方法建模，項(xiàng)目總結(jié)、算法優(yōu)化四個(gè)環(huán)節(jié)，逐漸挖掘?qū)W生的思維，指向計(jì)算思維的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算思維；項(xiàng)目化教學(xué)；自主建構(gòu)；建模

【中圖分類(lèi)號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2024）012-051-03

引 言

隨著人工智能時(shí)代的到來(lái)，教育無(wú)人機(jī)、教育機(jī)器人等智能學(xué)具走進(jìn)了校園，那么如何借助教育無(wú)人機(jī)展開(kāi)信息科技教學(xué)？這給教師教學(xué)帶來(lái)了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。目前無(wú)人機(jī)（本文指大疆RoboMaster TelloTalent四旋翼教育無(wú)人機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)為T(mén)T無(wú)人機(jī)）在小學(xué)主要以社團(tuán)為教學(xué)陣地，教學(xué)內(nèi)容從創(chuàng)客比賽的需求出發(fā)。筆者發(fā)現(xiàn)如下教學(xué)問(wèn)題：無(wú)人機(jī)的教學(xué)忽視了學(xué)習(xí)者的發(fā)展需求，目標(biāo)沒(méi)有鮮明地聚焦于學(xué)科核心素養(yǎng)的具體維度；學(xué)習(xí)內(nèi)容主要以單課時(shí)的知識(shí)點(diǎn)傳授為主，知識(shí)與知識(shí)之間缺乏主題活動(dòng)串聯(lián)，比較零散，缺乏結(jié)構(gòu)化；無(wú)人機(jī)的空間坐標(biāo)對(duì)小學(xué)生來(lái)說(shuō)比較難，教師采用講授為主，缺乏學(xué)生的自主探知，教學(xué)方法比較單一。

計(jì)算思維作為智能時(shí)代的產(chǎn)物，已滲透到教學(xué)當(dāng)中。《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》對(duì)計(jì)算思維做了如下描述：計(jì)算思維是指?jìng)€(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在問(wèn)題解決過(guò)程中設(shè)計(jì)的抽象、分解、建模、算法設(shè)計(jì)等思維活動(dòng)；具備計(jì)算思維的學(xué)生，能對(duì)問(wèn)題進(jìn)行抽象、分解、建模，并通過(guò)設(shè)計(jì)算法形成解決方案，并將其遷移運(yùn)用于解決其他問(wèn)題。小學(xué)階段，特別是四年級(jí)學(xué)生，思維的發(fā)展由具象思維開(kāi)始向抽象思維過(guò)渡，因此，在這個(gè)階段培養(yǎng)計(jì)算思維至關(guān)重要。

計(jì)算思維對(duì)小學(xué)生來(lái)說(shuō)比較抽象，需要采用合適的教學(xué)方法，使學(xué)生在具體形象的學(xué)習(xí)體驗(yàn)中理解該思維方式，而項(xiàng)目化學(xué)習(xí)正是提升學(xué)生計(jì)算思維的有效學(xué)習(xí)模式[1]。于是，筆者分析無(wú)人機(jī)教學(xué)問(wèn)題現(xiàn)狀，探尋社團(tuán)教學(xué)過(guò)程中的解決方案：整構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，指向計(jì)算思維的發(fā)展，采用項(xiàng)目化教學(xué)模式，在教學(xué)中激發(fā)學(xué)生思考問(wèn)題的欲望，提升學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維。

項(xiàng)目化教學(xué)模式

培養(yǎng)計(jì)算思維很重要，但通過(guò)什么樣的方式培養(yǎng)更重要。筆者認(rèn)為，抽象、分解、建模等就是計(jì)算思維的培養(yǎng)方式，那么，在項(xiàng)目化的活動(dòng)過(guò)程中怎么融入這些培養(yǎng)方式呢？從項(xiàng)目開(kāi)展的時(shí)間順序來(lái)看，學(xué)習(xí)活動(dòng)分項(xiàng)目引入、項(xiàng)目規(guī)劃、項(xiàng)目實(shí)施、項(xiàng)目總結(jié)四個(gè)環(huán)節(jié)，其中，“項(xiàng)目規(guī)劃”與“項(xiàng)目實(shí)施”屬于核心環(huán)節(jié)。隨著項(xiàng)目進(jìn)展，教師可將計(jì)算思維的“問(wèn)題定向”“分解問(wèn)題”“方法建?！薄皟?yōu)化算法”這四個(gè)方式融入貫穿到教學(xué)過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)，在項(xiàng)目實(shí)施和問(wèn)題解決過(guò)程中提升思維能力，從而發(fā)展核心素養(yǎng)。筆者在無(wú)人機(jī)社團(tuán)課程教學(xué)中，以建構(gòu)主義理論為依據(jù)，以新課標(biāo)為指導(dǎo)文件，將學(xué)生所要學(xué)習(xí)的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)在一個(gè)完整的項(xiàng)目活動(dòng)中。筆者整構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，以項(xiàng)目化學(xué)習(xí)活動(dòng)開(kāi)展為明線，以計(jì)算思維發(fā)展為暗線，兩條線協(xié)同發(fā)展，相輔相成，共同落實(shí)發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維的目標(biāo)，構(gòu)建指向計(jì)算思維發(fā)展的小學(xué)教育無(wú)人機(jī)項(xiàng)目化課程教學(xué)模式（圖1）。

項(xiàng)目化教學(xué)模式運(yùn)用實(shí)例

近年來(lái)，融合STEM理念和創(chuàng)客比賽的要求，筆者設(shè)置了項(xiàng)目活動(dòng)“無(wú)人機(jī)穿越障礙物”。活動(dòng)內(nèi)容為：無(wú)人機(jī)從起飛墊出發(fā)，自主規(guī)劃路線依次穿越多種類(lèi)型的障礙物，最終降落至起飛墊上；要求飛機(jī)在飛行過(guò)程中不能降落和碰到障礙物（圖2），時(shí)間短的小組獲勝。本項(xiàng)目需要學(xué)生繪制草圖、在圖紙上標(biāo)注和進(jìn)行流程計(jì)劃的編寫(xiě)，并將信息填寫(xiě)在工程筆記（飛行路線的圖紙）上。社團(tuán)成員主要是四、五年級(jí)的學(xué)生，他們已經(jīng)掌握了無(wú)人機(jī)飛行的基本原理和上升、前進(jìn)、后退、下降的基本運(yùn)動(dòng)指令，懂得了平面直角坐標(biāo)。學(xué)生在項(xiàng)目學(xué)習(xí)過(guò)程中要掌握無(wú)人機(jī)定位挑戰(zhàn)卡、三維空間直角坐標(biāo)以及修改優(yōu)化方案來(lái)解決問(wèn)題。教師在學(xué)生完成項(xiàng)目的過(guò)程中不斷地挖掘思維的深度，滲透計(jì)算思維的發(fā)展。

1.項(xiàng)目引入，問(wèn)題定向

新課標(biāo)倡導(dǎo)真實(shí)性學(xué)習(xí)，教師要善于創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問(wèn)題情景，引導(dǎo)學(xué)生“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”。教師可以結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況和興趣點(diǎn)，設(shè)計(jì)出既符合課程目標(biāo)又具吸引力的真實(shí)問(wèn)題情景。因此，項(xiàng)目引入可以整合多學(xué)科內(nèi)容，將實(shí)踐性強(qiáng)、融合信息技術(shù)等方面的問(wèn)題情景作為項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)。在項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的指引下，學(xué)生根據(jù)情景問(wèn)題，分析解決問(wèn)題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，把握好問(wèn)題解決的方向，直指問(wèn)題的本質(zhì)。筆者在教學(xué)時(shí)帶領(lǐng)學(xué)生實(shí)地參觀學(xué)校的無(wú)人機(jī)創(chuàng)客基地，根據(jù)項(xiàng)目活動(dòng)的內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生規(guī)劃飛行路線。學(xué)生對(duì)問(wèn)題進(jìn)行定向，如可以規(guī)劃飛行時(shí)間最短、飛行路程最短、最好穿越的障礙物為先等。學(xué)生根據(jù)自己的需求，尋找伙伴，自由搭配組合。這激發(fā)了學(xué)生探索的欲望，同時(shí)在問(wèn)題定向時(shí)激發(fā)了學(xué)生的思考。

2.項(xiàng)目分析，問(wèn)題分解

常言道：學(xué)起于思，思起于疑，疑解于問(wèn)。提出問(wèn)題之后，小組思考怎么解決問(wèn)題，學(xué)生在教師指引下對(duì)自己的項(xiàng)目進(jìn)行合理分析、思考以及討論解決問(wèn)題。首先，學(xué)生根據(jù)自己定向的問(wèn)題，將“大”問(wèn)題分解為若干個(gè)可以完成的“小”問(wèn)題，如無(wú)人機(jī)怎么斜飛；無(wú)人機(jī)如何飛行不偏航，靠什么定位；無(wú)人機(jī)定位飛行需要哪些積木。“大”問(wèn)題分解之后，還要將“小”問(wèn)題轉(zhuǎn)化為所學(xué)的知識(shí)，那么，如何在解決這些小問(wèn)題的過(guò)程中獲取新知呢？關(guān)鍵在于找出解決問(wèn)題的核心部分，也就是找出解決問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)。學(xué)生觀察現(xiàn)場(chǎng)，討論交流，并在工程筆記上畫(huà)出無(wú)人機(jī)的飛行路線圖。

例如，在規(guī)劃最短飛行路線時(shí)，有些小組在工程筆記上畫(huà)出路線后，只是簡(jiǎn)單地前進(jìn)和右轉(zhuǎn)（或左轉(zhuǎn)），在教師的指導(dǎo)下，結(jié)合三角形的三邊關(guān)系得出飛機(jī)斜飛，距離更短，于是，學(xué)生很快得出規(guī)劃好飛行交叉環(huán)的路線就是解決問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)。有些小組考慮到飛機(jī)受到場(chǎng)地和障礙物氣流的影響，在飛行時(shí)會(huì)造成路線偏航，他們認(rèn)為飛機(jī)能夠順利穿過(guò)隧道，才是挑戰(zhàn)任務(wù)的關(guān)鍵，因此，飛行路線選擇先穿過(guò)拱門(mén)，接著穿越兩個(gè)圓環(huán)和交叉環(huán)，再穿越隧道降落在起飛墊上回到起點(diǎn)。有些小組考慮飛行時(shí)間問(wèn)題，他們認(rèn)為除了規(guī)劃好最短路線之外，還要控制好飛行的速度。

學(xué)生分析、討論交流，不斷地深入思考，最后在工程筆記上經(jīng)過(guò)多次修改畫(huà)出飛行路線，得到最優(yōu)路線。學(xué)生分解問(wèn)題的能力進(jìn)一步提升，計(jì)算思維也在潛移默化中得到了發(fā)展。

3.項(xiàng)目實(shí)施，方法建模

紙上得來(lái)終覺(jué)淺，絕知此事要躬行。根據(jù)建構(gòu)主義理論，學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程是在與環(huán)境的互動(dòng)中主動(dòng)建構(gòu)的過(guò)程，學(xué)生在自主和合作探索過(guò)程中，得出解決問(wèn)題的方法或者相關(guān)的知識(shí)，從而走向深度學(xué)習(xí)。項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程是學(xué)生與環(huán)境互動(dòng)的過(guò)程，也是學(xué)習(xí)知識(shí)的環(huán)節(jié)，教師要引導(dǎo)學(xué)生在“做中學(xué)”“玩中學(xué)”。在項(xiàng)目實(shí)施時(shí)，一般將所學(xué)的知識(shí)設(shè)置成一個(gè)個(gè)任務(wù)，學(xué)生通過(guò)挑戰(zhàn)完成一個(gè)個(gè)任務(wù)來(lái)獲取所學(xué)的新知。一個(gè)小任務(wù)可以用一個(gè)課時(shí)或者多個(gè)課時(shí)來(lái)完成，一個(gè)課時(shí)也可以完成一個(gè)或者多個(gè)任務(wù)。

由于無(wú)人機(jī)的飛行會(huì)受到慣性、氣流、光線等因素的影響，我們需要及時(shí)定位飛機(jī)。想要完成此項(xiàng)目任務(wù)，主要是掌握三維空間直角坐標(biāo)（位置的移動(dòng)）、定位飛機(jī)、無(wú)人機(jī)的斜飛等新知。于是項(xiàng)目分為三個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)：用挑戰(zhàn)卡定位飛機(jī)、飛機(jī)的斜飛和編寫(xiě)無(wú)人機(jī)飛行路線的程序。

第一個(gè)任務(wù)：用挑戰(zhàn)卡定位飛機(jī)。教師先帶領(lǐng)學(xué)生復(fù)習(xí)用數(shù)字定位班級(jí)的座位（第幾排，第幾列，“排”理解為橫坐標(biāo)X，“列”理解為縱坐標(biāo)Y）以及復(fù)習(xí)平面直角坐標(biāo)，接著引入挑戰(zhàn)卡的定位作用（無(wú)人機(jī)飛行通過(guò)識(shí)別到挑戰(zhàn)卡來(lái)校準(zhǔn)位置），借助視頻和實(shí)物展示介紹挑戰(zhàn)卡的相關(guān)知識(shí)，借助立方體的長(zhǎng)、寬、高來(lái)理解“高”就是三維空間直角坐標(biāo)的上下方向Z坐標(biāo)，再通過(guò)觀察、實(shí)地測(cè)量無(wú)人機(jī)飛在挑戰(zhàn)卡的正上方的高度，從而理解此時(shí)無(wú)人機(jī)相對(duì)于挑戰(zhàn)卡的位置坐標(biāo)，最后布置分層挑戰(zhàn)任務(wù)。學(xué)生經(jīng)過(guò)分析得出，飛機(jī)可以先定位挑戰(zhàn)卡再前進(jìn)或者后退，更改積木坐標(biāo)和挑戰(zhàn)卡ID的參數(shù)來(lái)嘗試挑戰(zhàn)卡的定位，從而建立定位和前進(jìn)的模型。

第二個(gè)任務(wù)：學(xué)習(xí)用無(wú)人機(jī)自身的坐標(biāo)來(lái)控制飛機(jī)的斜飛。該任務(wù)比較難，學(xué)生需要較強(qiáng)的空間思維能力。掌握挑戰(zhàn)卡的定位后，學(xué)生對(duì)三維空間直角坐標(biāo)有了一定的概念，以無(wú)人機(jī)自身建立坐標(biāo)系，借助右手法則來(lái)理解空間直角坐標(biāo)系。學(xué)生通過(guò)完成任務(wù)和實(shí)物展示，借助右手法則反復(fù)練習(xí)修改三維空間直角坐標(biāo)的參數(shù)和程序積木的坐標(biāo)參數(shù)，直至掌握飛機(jī)的斜飛。

第三個(gè)任務(wù)：編寫(xiě)飛機(jī)的飛行程序。學(xué)生在工程筆記上先根據(jù)飛行路線自主嘗試畫(huà)出飛行的大致流程圖，接著在教師引導(dǎo)下完善，并分析得出飛機(jī)飛行的規(guī)律。在學(xué)生掌握了無(wú)人機(jī)斜飛至下一個(gè)位置再定位的通用算法模式后，教師再引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)積木的通用模式，然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)值和右手法則在工程筆記上標(biāo)注出下一個(gè)要飛行的位置坐標(biāo)，最后根據(jù)“斜飛定位”算法模式完成程序的編寫(xiě)和實(shí)踐操作。

在項(xiàng)目的整個(gè)實(shí)施環(huán)節(jié)，教師有方法、有梯度、有技巧地引導(dǎo)學(xué)生一步一步地建立飛機(jī)斜飛下一個(gè)位置的通用模式，真正做到方法建模。在完成一個(gè)個(gè)任務(wù)的過(guò)程中，學(xué)生思維一步步被深挖，走向深度學(xué)習(xí)。

4.項(xiàng)目總結(jié)，算法優(yōu)化

學(xué)而不思則罔，思而不學(xué)則殆。學(xué)習(xí)能夠提升學(xué)生的思維能力和解決問(wèn)題能力，達(dá)到自我提升。因此，在項(xiàng)目總結(jié)階段，教師要讓學(xué)生學(xué)會(huì)反思、歸納解決問(wèn)題的方法，優(yōu)化算法；充分利用學(xué)生逆向思維，激活和運(yùn)轉(zhuǎn)學(xué)生跳躍性思維，實(shí)現(xiàn)遷移應(yīng)用，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。在無(wú)人機(jī)教學(xué)項(xiàng)目總結(jié)階段，學(xué)生分小組編完程序后就要試飛，通過(guò)觀察、分析、思考，反復(fù)調(diào)試、調(diào)整參數(shù)的設(shè)置并歸納總結(jié)方法，不斷優(yōu)化解決問(wèn)題的方法，直至完成任務(wù)。例如，飛機(jī)飛行方向相反，要學(xué)會(huì)檢查坐標(biāo)的正負(fù)；為了飛機(jī)不偏航，飛行速度設(shè)置要在合適的范圍，否則識(shí)別不到挑戰(zhàn)卡；為了節(jié)省飛行時(shí)間，還要會(huì)根據(jù)實(shí)際情況靈活刪減識(shí)別挑戰(zhàn)卡的積木，優(yōu)化程序等。學(xué)生根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)飛行的實(shí)際情況，查找程序問(wèn)題，得出最優(yōu)化的算法來(lái)解決問(wèn)題，同時(shí)還要會(huì)根據(jù)不同的場(chǎng)景（調(diào)換障礙物的位置）編寫(xiě)和修改程序。學(xué)生掌握了用Mind+軟件控制無(wú)人機(jī)的單機(jī)飛行，后續(xù)的項(xiàng)目活動(dòng)是創(chuàng)編六架無(wú)人機(jī)的舞蹈飛行。教師可引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合生活的熱點(diǎn)時(shí)事，融入中華歷史、文化等創(chuàng)編無(wú)人機(jī)舞蹈飛行的主題和每一步舞步的造型寓意，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)意思維。

綜上所述，筆者結(jié)合項(xiàng)目化教學(xué)的模式，引導(dǎo)學(xué)生自主、合作探究，有梯度、有方法、有技巧地從問(wèn)題定向、問(wèn)題分解、方法建模、算法優(yōu)化、遷移應(yīng)用等方面，促使學(xué)生在教育無(wú)人機(jī)學(xué)習(xí)的過(guò)程中逐步深入思考，從淺層到深層，實(shí)現(xiàn)思維的發(fā)展。

基金項(xiàng)目：福建省廈門(mén)市同安區(qū)教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2024年度重點(diǎn)課題“小學(xué)信息科技跨學(xué)科融合項(xiàng)目化學(xué)習(xí)教學(xué)實(shí)踐研究”（KYX2404）

參考文獻(xiàn)

黃小寧. 信息科技學(xué)科提升小學(xué)計(jì)算思維素養(yǎng)的實(shí)踐研究：以項(xiàng)目化學(xué)習(xí)“打地鼠”為例[J]. 教育參考，2024（2）： 79-83.

作者單位：福建廈門(mén)市同安區(qū)西塘小學(xué)

編 輯：馮艷艷